电动液压助力转向系统用BLDCM工作原理及控制策略

电动液压助力转向系统用BLDCM 工作原理及控制策略

文章编号：1001-3997（2010）03-0262-02

【摘要】电动液压助力转向系统（EHPS ）将传统液压助力转向系统（HPS ）中的液压泵改为由变成单

独的电机驱动，并根据不同车速和转向盘转速控制等级转速，从而提供可变的转向助力，同时在一定程度上节省了能源的消耗。对POLO 轿车装备的EHPS 系统的电流无刷电机工作原理进行深入分析，并针对该电机设计控制器及制定相应控制策略，实现对电机转速的控制。

关键词：电动液压助力转向；直流无刷电机；电机控制

【Abstract 】The Electro-hydraulic Power Steering System （EHPS ）drives a hydraulic pump with a sep －arate motor ，in contrast to the traditional Hydraulic Power Steering System （HPS ）doing so by the engine.In this way ，EHPS shall be able to provide alterable steering force according to different vehicle speeds and steering wheel ratatioanl speeds ，and to save energy in a more effective way.It mainly discusses the Basic Principle and Control Strategy of the Brushless Direct Current （BLDC ）Motor Used in the Electro-hydraulic Power Steering system from POLO ，and designs an ECU with control strategy to control the motor.

Key words ：EHPS ；BLDC motor ；Motor control

1引言

传统的液压助力转向系统（HPS ）通过汽车发动机带动液压泵以提供转向助力，因此无论驾驶员是否进行转向操作，只要发动机在运转，HPS 都处于工作状态，造成了不必要的能源浪费。同时，转向助力大小不能随着车速的变化而改变，难以满足汽车低速行驶时的转向轻便感和高速行驶时转向稳定的要求。电动液压助力转向系统（EHPS ）将传统HPS 中由发动机驱动的液压泵改变成由一个单独的电机驱动，使得转向助力完全脱离发动机的束缚，并且EHPS 所有的工作的状态都是由电子控制单元根据车辆的行驶速度、转向角度等信号计算出的最理想状态，从而控制电机转速以驱动液压泵提供必要的流量，这样不但在一定程度上节省了能源消耗，也保证了驾驶员在不同车速下均能获得良好的转向手感。

早期EHPS 系统大多以直流有刷电机驱动液压泵，随着无刷电机控制技术的发展及应用的普及，目前安装EHPS 系统的微型轿车均采用无刷电机驱动液压泵，例如上海大众POLO 、一汽大众宝莱、北京神龙以及雷克萨斯、皇冠、Chevy Silverado 、GMC Sierra 轻度并联混合动力皮卡等。对于一些电动车及新能源汽车而言，则大多采用了大功率直流永磁电机驱动[1]。

分析了由TRW 公司提供直流无刷电机和转向盘转速传感器的POLO 车上EHPS 系统的电机工作原理，并设计了该电机的控制器及控制策略，从而对电机的转速进行控制。

2EHPS 直流无刷电机的结构及工作原理

对于本系统所用的无刷直流电机，其转子、定子的外观结构，

如图1所示。

图1电机结构

由图1可见，该电机的转子是外置的，另外电机定子总槽数为12个，转子含7块永磁体，即7对极，根据公式：

电角度＝极对数×360°总槽数

，或者

电角度＝极对数×机械角度，可以计算出该直流无刷电机的电角度为210°，由该电角度可绘制出电机绕组的星形矢量图，如图2所示。

图2

绕组星型矢量图

210°

1

7

6

11

4

109

2

12

5

8

3

262

利用该星形矢量图，并根据四相绕组对称和合成转矩最大的原则来分配各项绕组分别包含哪些槽导体[2]。假设槽导体编号为1、8、3为A 相，10、5、12为B 相，7、2、9为C 相，4、11、6为D 相。

如图3所示，给出了该直流无刷电机的驱动电路图。

图3直流无刷电机驱动电路图

当电机转子位置传感器信号输入至DSP 后，DSP 根据该换相控制字决定A 、B 、C 、D 四相中的某一相为当前所需导通相，并通过输出PWM 斩波信号控制某一功率管开关。当某一相绕组导通后，电流经12V 电源正端流过绕组，最后流过检测电阻至功率地，其电流方向如图中实线所示。

该电机的四相绕组导通次序按下述方法确定。首先根据实验观察得到电机的四相绕组反电动势波形图及对应的换相控制字。其次根据反电动势波形，记录每一相绕组的反电动势达到正峰值时刻的换相控制字。最后通过程序指令输出PWM 信号以导通该相。

换相控制字与换相的对应关系，如表1所示。

表１换相控制字与换相的对应关系

由于该电机绕组的结构为双绕组，实际上，A 相绕组与B 相绕组为主绕组与辅助绕组的关系。A 相绕组与B 相绕组双股并绕，紧密地耦合在一起[3]

。当A 相主绕组通电结束后，由于磁场蓄

能，B 相辅助绕组导通，因A 相主绕组电流衰减，绕组产生反电动势，并在B 相绕组同名端感应相同大小的反电动势。当该反电动势大于电机电压时，B 相绕组的功率管的保护二极管导通，完成一次续流工作。电机续流时绕组电流方向如图4所示。此续流原理同样适用于C 、D 相绕组。

3EHPS 用BLDCM 控制策略

在实际EHPS 系统中，电机的转速需要通过中央控制单元接收外来的车速信号及方向盘转向角速度信号，并作出相关处理后经查表后获得。

POLO 车所用转向盘角速度信号来自海拉公司研制的感应式位置传感器，该传感器可在一个简单、紧凑的空间条件下能够实现对线位移和角位移的非接触式测量，该传感器输出频率大致不变，脉宽随转向盘位置变化而变的脉冲信号。该信号特点为，转向盘角度增加，信号占空比随之增加。转向盘每转过60°，信号波形就重复变化一次。由于传感器设计上等因素，

信号的占空比的最小值和最大值无法达到0%和100%，并且存在一定的信号上升时间。将信号引入DSP 的I/O 口以便进行转向角速度计算处理。

为保证车辆在静止或低速行驶及快速操作转向盘时能够得到较大助力，而车辆高速行驶及缓慢操作转向盘时得到较小助力，甚至无助力，本文制定了针对该电机的控制策略，首先通过MATLAB 的internp1函数拟合了一组曲线，如图4所示。该组曲线是制定控制策略的首要依据。图中的十一条曲线代表十一种车速范围的电机转速特性曲线。主要的设计思想为，当转向盘转向角速度传感器无输入信号或输入信号数值很小时（停止模式），电机根据车速信号不同维持在某一恒定转速。当转速传感器输入信号超过某一数值（助力模式），电机转速则根据目前的车速大小按不同的比例线形增加，直至增加到电机转速的最大值。从图中可以看出在线形阶段，车速越大，曲线的斜率越小，而车速越小，曲线的斜率反而越大。这样设计的目的是为了能够保证驾驶员在车辆行驶过程中可以得到较好的转向手感，在车速较低时，能够提供较大的助力，而车速较高时助力减小甚至不提供助力。其次，对于此控制策略而言，从停止模式过渡到助力模式响应较慢，转向手感仍也有变坏的趋势，因此需要采取相应的对策。该文献提出，通过设置更高的停止模式下的电机转速可有效解决响应慢的问题。最后由于每一条曲线代表的是一个车速范围，而不是某一固定车速，这样在软件程序中还需要加入车速滞环环节，否则控制器可能会由于车速信号的小幅变化而在若干条助力特性曲线之间反复切换。

图4控制策略中设计的电机转速特性

中断处理可描述为：进入中断后首先立即保护现场，并启动A/D 转换。其次程序需根据车速传感器信号对当前车速进行判定，并根据转向盘转角速度传感器信号做出相关计算确定转角速度大小，由车速和转向盘转角速度来确定当前电机的目标转速。当给出电机目标后程序经过电机的转速PI 调节和电流PI 调节控制电机达到该目标转速，并完成电机的换相工作，最后中断退出并恢复现场。中断处理程序流程，如图5所示。

图5中断处理流程图

根据上述原理，初步设计了EHPS 系统控制器，并进行试验。电机空载实验中，当加载在功率管的PWM 信号占空比为100%

换相控制字

00011011

ON OFF OFF OFF

OFF OFF OFF ON

各相通断状态A Ｄ

OFF OFF ON OFF OFF ON OFF OFF

ＢＣ12V A

B

C

D

MOSFET1MOSFET2MOSFET3MOSFET4PWM1

PWM2

PWM3

PWM4

ADC1

ADC2

R1

R2

CND CND

车速由0km/h 渐增至200km/h

方向盘转向角速度（°/s ）

100200300400500600700

电机转速（r /m i n ）

5000

450040003500300025002000150010005000

保护现场启动A/D 车速判定转向角速度信号采集转向角速度计算读表，确定目标转速

是否该转速调节转带PI 调节电流PI 调节

换相恢复现场退出中断

Y

N